Правильный подбор горелки для сушильной установки для оптимальной производительности должен быть простым процессом; однако во многих случаях горелка подбирается с расчётом на значительно более высокую производительность, чем обычно требуется для работы установки или даже для её производственных возможностей. Это может привести к множеству проблем, связанных с производительностью, снизить эффективность, как горелки, так и сушильной установки в целом, а также сократить срок службы оборудования.
Давайте сначала разберёмся, почему или как горелка становится слишком мощной. Обычно это происходит одним из двух способов. Во-первых, имеющаяся горелка переносится с одного завода на другой владельцем или в результате продажи подержанного оборудования. Хотя заводу может требоваться горелка мощностью всего 29,3 МВт, горелка следующего большего размера (или двух) может быть единственным доступным устройством на рынке подержанного оборудования и/или на другом заводе в собственности владельца, и эта горелка устанавливается в систему. Во-вторых, при покупке новой горелки заказчик, как правило, «завышает требования» к горелке, чтобы она соответствовала максимальному тоннажу, который может производить установка, а также очень высокому максимальному проценту влажности материала.
Давайте рассмотрим простой пример. Клиент покупает новый сушильный барабан с производительностью 400 тонн в час со следующими характеристиками:
Dryer Output (TPH) 400
Virgin Material Moisture (%) 5
RAP (%) 30
RAP Moisture (%) 3
Material Mix Temperature (°F) 310
Flue Gas Temperature (°F) 250
Asphalt Cement (%) 5
Heat Losses, from Drum/Ductwork (%) 5
Total Burner Heat Input Required (MBtu/hr) 91.1
Specific Fuel Consumption (Btu/ton HMA) 227,810
В приведённом выше примере необходимая тепловая мощность составляет 26.7 МВт. Поскольку ближайшая доступная горелка рассчитана на 29,3 МВт, клиент хочет увеличить мощность из соображений «безопасности» и выбирает горелку на 36,6 МВт.
Теперь давайте рассмотрим типичную работу завода. Завод работает в среднем с производительностью 250 тонн в час ( выше была указана производительность сушильного барабана 400 тонн в час ) при влажности исходного материала 3%. Тепловой баланс теперь выглядит следующим образом:
Dryer Output (TPH) 250
Virgin Material Moisture (%) 3
RAP (%) 30
RAP Moisture (%) 3
Material Mix Temperature (°F) 310
Flue Gas Temperature (°F) 250
Asphalt Cement (%) 5
Heat Losses, from Drum/Ductwork (%) 5
Total Burner Heat Input Required (MBtu/hr) 47.5
Specific Fuel Consumption (Btu/ton HMA) 189,881
В этом примере у нас есть горелка, которая обычно работает на 38% от своей номинальной мощности. Мы увидим, почему это важно, когда рассмотрим конструкцию горелки.
Горелка представляет собой фиксированные отверстия (как воздушные, так и газовые каналы имеют заданную конструкцию или размеры), рассчитанное как минимум на максимальную номинальную мощность устройства (плюс некоторый запас прочности, чтобы горелка не взорвалась и пламя не погасло при максимальной мощности или близкой к ней). Это означает, что при мощности выше 38% происходит несколько процессов. Воздушный поток и поток топлива выходят из горелки со скоростью примерно в три раза ниже максимальной расчетной.
Функция горелки заключается в стабилизации пламени и правильном и тщательном смешивании воздуха и топлива для обеспечения полного сгорания.
Ввиду того, что сушильные барабаны ( вращающиеся технологические печи) АБЗ имеют относительно небольшие геометрические размеры собственно топочного пространства ( как диаметр, так и длину ), возникает необходимость сжигать топливо с высокой интенсивностью в пространстве малого объема с минимальным химическим недожогом. Возможно, вы помните из курса физики средней школы:
Eₖ = ½ m × V2
(Кинетическая энергия = ½ массы × скорость2)
При условии использования горелки Detroit® HADES (для каждой модели горелки будут получены разные значения, но общее снижение кинетической энергии будет одинаковым) горелка HADES-100 рассчитана на максимальную кинетическую энергию при максимальной мощности:
Eₖ расчетная = 5586 футо-фунтов/с = 7573,6 Дж/с
Примечание: технически это «скорость изменения кинетической энергии» или «мощность», тогда можно записать значение в более понятной нам форме как Еₖ = 7573,6 Ватт
Выбранная (для «безопасных» целей) горелка HADES-125 работает при мощности 13,4 МВт и производительности 250 тонн в час, или:
Eₖ фактическое = 427 Ватт (при условии, что мы могли бы работать при том же избыточном давлении воздуха в 25%)
Горелка увеличенного размера, рассчитанная на 36,6 МВт, теперь работает примерно на 6% от оптимальной точки расхода энергии. Это существенно влияет на смешивание воздуха и топлива, выбросы и, в конечном итоге, на производительность сушильной установки.
Горелка почти наверняка теперь должна работать при значительно более высоком избытке воздуха, чтобы компенсировать часть потерянного воздуха/газа (кинетической энергии). Таким образом, вместо того, чтобы работать при оптимальном избытке воздуха, скажем, 25%, мы теперь должны настроить горелку на 50, 60% избытка воздуха или больше при такой низкой нагрузке (и большем размере горелки), чтобы обеспечить достаточное смешивание воздуха/газа для полного сгорания и минимальных выбросов угарного газа (CO)*.
При избытке воздуха в 60% общая потеря эффективности сгорания из-за нагрева этого дополнительного потока воздуха приводит к увеличению расхода топлива на 2,3%. Кроме того, даже при наличии дополнительного избыточного воздуха для смешивания он часто приводит к дополнительным выбросам CO, поскольку дополнительный избыточный воздух гасит пламя. Избыточные выбросы CO часто совпадают с выбросами несгоревшего топлива, то есть углеводородов (HC) из выхлопной трубы, которые обычно не измеряются большинством портативных анализаторов горения. Увеличение выбросов CO.
Приведённый выше упрощённый пример показывает, что из-за чрезмерного размера горелки завод может легко потратить на 3% или более больше топлива на тонну асфальта.
К дополнительным потенциальным проблемам относятся:
· Настройка горелки для соответствия более строгим требованиям к выбросам NOx и CO или ограничениям по выбросам может оказаться существенно более сложной задачей, если не невозможной. Уменьшение выбросов CO за счет настройки обычно приводит к увеличению выбросов NOx, и наоборот.
· Температура материала может сильно колебаться, поскольку небольшие процентные изменения мощности горелки приводят к относительно большим изменениям расхода топлива, поскольку используется лишь небольшая часть фактического диапазона мощности горелки.
· Если горелка работает на очень низкой мощности (и, соответственно, избыток воздуха недостаточен для обеспечения процесса смешивания воздуха и топлива), часто возникает перегрев передней части горелки. Замена деформированных и/или перегретых деталей горелки может быть дорогостоящей и трудоёмкой, а по мере ухудшения состояния горелки снижается эффективность и производительность.
· Также может произойти повреждение лопастей барабана, что приведет к их дорогостоящей и более частой замене.
· В зависимости от размера барабана, рукавного фильтра и вытяжного вентилятора могут возникать дополнительные проблемы, связанные с производительностью и сбалансированной работой оборудования.
Следствием подбора горелки является контроль соотношения воздуха и топлива. Система управления горелкой должна поддерживать оптимальное соотношение воздуха и топлива при любой скорости горения, иначе эффективность горелки снизится по тем же причинам, которые были указаны выше. Бесконтактное управление с клапанами/приводами прямого действия для подачи топлива и воздушными заслонками/приводами прямого действия или, что еще лучше, управление подачей воздуха с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП) является лучшим решением при правильной интеграции с системой управления горением на базе ПЛК. Система управления ПЛК предназначена для настройки кривой, позволяющей оптимально регулировать соотношение воздуха и топлива при любой скорости горения.
Обратите внимание, что в этом упрощённом примере используется множество допущений, не последнее из которых — влажность материала, процентное содержание RAP в смеси, а также общая влажность RAP и т. д. Это особенно важно учитывать при выборе горелки подходящего размера. На ранних этапах разработки спецификации горелки следует проконсультироваться с производителем горелки, чтобы убедиться, что потребности установки удовлетворяются горелкой правильной мощности для достижения максимальной эффективности работы.
Хотя увеличение размера горелки может показаться правильным решением для будущих крупных работ или ожидаемого роста, это может быть дорогостоящим решением, которого можно избежать, если лучше организовать работу на заводе, в том числе хранение в силосах, погрузку в грузовики для доставки на объект и т. д. Правильный выбор размера горелки с самого начала может окупиться за счёт повышения топливной эффективности в относительно короткие сроки.
*Это не касается горелок, у которых распыление топлива осуществляется сжатым воздухом. В таких системах используется компрессор, который подготавливает воздух до необходимого давления, что обеспечивает оптимальное распределение топлива и гарантирует его интенсивное и полное сгорание. Вследствие чего применение сжатого воздуха в процессе распыления значительно улучшает эффективность работы горелки и снижает зависимость от подачи избыточного воздуха. Кроме того, такие системы часто демонстрируют высокую степень контроля за полнотой сгорания, что является важным аспектом для уменьшения выбросов вредных веществ.
Джим Фис, P.E., является руководителем группы по сжиганию отходов в компании Detroit Stoker, Монро, Мичиган.
Перевод статьи из журнала AsphaltPro Magazine.